2016 VOL.26

Review

写真位置
削 除 し ないでください

フィルタードアーク蒸着によるフィルタードアーク蒸着によるガラスレンズ成形金型用 DLC 離型膜の形成
ガラスレンズ成形金型用 DLC 離型膜の形成
滝川
*
滝川浩史
浩史

H. Takikawa
１．まえがき解決する手法の一つに，フィルタードアーク蒸着法

ガラスレンズモールドプレス用の成形金型には，硬くて（filtered arc deposition：FAD）がある 2-4)．同法の一タ

高温耐久性に優れた超硬（タングステンカーバイド：WC）イプとして，筆者らは，T 字状フィルタードアーク蒸着装が用いられる．しかし，WC はガラスと融着し易い．その置（T-shape filtered arc deposition：T-FAD）（図 1）のため，WC 金型表面にガラス離型性の保護膜（離型膜）が開発を進めている 2, 4-16)．

必要である．離型膜には，プラチナなどの貴金属系と，ダフィルタードアークにおいて，陰極-陽極間で発生したイヤモンドライクカーボン（diamond-like carbon：DLC）

プラズマは，磁界を用いてビーム状に収束されてチャンバ系とがある．後者は，酸素プラズマアッシングによって除へ輸送され，直進的に基材に到達する．そのため，金型の膜が可能であり，金型本体を再利用できるという特徴があような曲面を有する形状をしている基材に対しては，単純る．従って，工業生産上は後者の要求が高い．にチャンバ内に配置するだけでは均一な膜を得ることが一般に，ダイヤモンド構造（sp3）リッチな DLC はテト困難である．そこで，蒸着装置を高機能化するため，3 軸ラヘドラルアモルファスカーボン（ta-C）と呼ばれ，グラ4 運動（自転，公転，回転，振子）の基板固定台（ワークファイト構造（sp2）リッチのアモルファスカーボン（a-C）

テーブル）を開発することとした．更にこれを利用して均と区別される．また，それらに水素を含む DLC は，それ一成膜を行うため，ビーム制御について開発を進めた．まぞれ，ta-C:H および a-C:H と分類される．これらの中でた，高温加熱前後で，DLC 膜の高温劣化特性についてもta-C 膜は最も硬く，ハードディスクドライブのスライダ検討した．本稿ではこれらについて報告する．の表面保護膜の他，アルミニウム合金向けのドライ加工用ドリルや高温金型などの保護膜として注目されている 1)．
ta-C 膜は，密度が高いほど高温耐久性が高い

1)．同膜を

２．ワークテーブルの開発とプラズマビームの制御実験方法
2.1

工業的に生産性よく形成できる方法として，真空アーク蒸

ワークテーブル

着法 1-7) がある．しかしながら，この手法では，カーボン半球面状金型へ均一膜厚の DLC 膜を形成するために設の蒸発源である陰極点から多量の陰極材料微粒子（ドロッ計・開発した 3 軸 4 運動ワークテーブルを図 2 に示す．

プレット）が放出され，これが生成膜に付着すると膜の均基材を上下に振子運動させるとともに，基材中心軸に対し質性や耐久性の低下を招くという欠点がある．この問題をて回転できるようにした．また，複数の基材を同一バッチで処理することができるように，公転運動も備えた．テー
ブル上のユニットを交換（回転・振子機構を取り除き，公転テーブルに支柱を立てる）ことで，通常と同じような自公転テーブルとして利用できる．これらの運動は，3 台のモータで 3 軸を制御することで，個々に利用または組み合わせて利用することが可能である．なお，3 軸に連結しているギヤがそれぞれの運動に対して独立していないため，相互干渉を考慮したプログラミングを行った．今回製作したワークテーブルの機能を表 1 にまとめて示す．
振子運動している半球面状基材に対し，プラズマビームをその形状に沿って常に垂直に照射させるためには，プラズマビームも上下にスキャンする必要がある．図 3 に，
T-FAD 装置の上面図および側面図を示す．同装置は，真図 1 T 字状フィルタードアーク蒸着装置（T-FAD）* 豊橋技術科学大学電気・電子情報工学系

空アークプラズマビームを，T 字状プラズマ輸送ダクトの外部に配置した電磁コイルで発生させた磁界とダクトに教授- 94 -2016 VOL.26

DC power supply
C1Trigger

Ion current monitor
Ion gage& shutter
CameraGasA

CathodeAnode

C7

Plasma beam

C8

Substrate table

700

C2C3Duct bias
C4C5C6Scanner
coilDroplets
Bias
T-FAD module(a) イメージ図

700

VacuumPlasma beam

C8700

C7T-FAD C5C6module Scanner
coil

700

図 3 T-FAD 装置の概略図（上図：上面，下図：側面）

BS13
Plasma beam(b) 現有機

CS3Duct

図 2 3 軸 4 運動ワークテーブル 6-11)

CS2CS4C6CS1

印加した電界によって，プロセスチャンバ方向へ輸送するBS24ものである．陰極から発生したドロップレットのほとんどは，電磁界の影響を受けないため直進し，陰極正面の T字状ダクトの延長部内で捕集される．
2.2

プラズマビーム制御

Function
generator

PWM-DC amplifier
PWM-DC amplifier

CS1

CS3

CS2

CS4

図 4 に，プラズマビームスキャン用の電磁コイルの配置と制御回路を示す．T-FAD モジュールと真空チャンバとの接続部の外側に，上下左右 4 個の電磁コイルを配置し，
表1
ユニット

振回公転

3 軸 4 運動ワークテーブルのユニット別運動パターン，モータ回転方向，および連結の関係
公転

○
○
○
○

運動パターン
振子 回転
○
○
○
○

自転

○
○
○

○
○

自公転

図 4 スキャナコイル（上図）と 制御系（下図）○○○

モータ M1

モータ M2

モータ M3連結（図 2（a））

正転
逆正転
逆正転
逆転
逆転
正逆転
正逆転
逆転
正転
正転

停止
正逆転
正逆転
正転
正転
正逆転
正逆転
正転
逆転
正転

正転
逆正転
正逆転
逆転
正転
逆正転
正逆転
停止停止停止

実線＋破線
実線＋点線＋破線
実線＋点線＋破線
実線＋点線＋破線
実線＋点線＋破線
実線＋点線＋破線
実線＋点線＋破線
実線＋点線
実線＋点線
実線＋点線

- 95 -

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表 2 チャンバ内のプラズマビームの写真 7)

(a)

(b)
図 6 Si 基板上の DLC 膜の SEM 写真(a) 基板回転：有り; ビーム偏向：無し， (b) 基板回転：有り; ビーム偏向：有り 8)
界および偏向磁界を印加していない場合であり，プラズマビーム中心部の発光が強く，ダクトの中心軸と同軸方向に
図 5

直進しながら拡散している． (b)は約 0.8 mT の回転磁界

スキャナコイル部におけるビーム偏向のための印加磁界の説明図 7)のみを印加した場合であり，(a)よりも発光領域が広がっ対向する 2 個を直列接続した．上下コイル対 CS1-3 と左右コイル対 CS2-4 とを用いれば，ダクト内に回転磁界を印加することができる．コイルへの入力は，ファンクションジェネレータ（NF 回路設計ブロック，WF1943B）からの 2 チャンネル交流信号（周波数：60 Hz，位相差：90°，正弦波）を PWM-DC アンプで増幅して行った．また，上下コイル対 CS1-3 には，直流オフセット電流を重畳し，上方向への偏向磁界を印加した．スキャン用コイルとダクトとの間に収束用コイル C6 を配置した．磁束密度はテスラメータ（F.W.BELL，5080）で計測した．磁束密度は，
CS1-3 コイル対または C6 コイルを単独で用いた場合のダている．これは，スキャン速度が写真撮影速度よりも速いため，見かけの結果である．一方，約 1.3 mT の偏向磁界を印加した場合，(c)および(d)で，プラズマビームはダク
ト中心軸より上方に約 15 度偏向していることが確認できた．
偏向磁界と偏向角との関係を以下に考察してみる．今回，収束用コイル C6 のスキャナ部中心の磁束密度を 5 mT とした．C6 コイルの磁束密度 BC6 と CS1-3 コイルの磁束密度 BS13 とはほぼ直行するとすれば，図 5 に示すように，プラズマビームはそのベクトル和の方向に進行することになる．この場合，偏向角Sは次式で表せる．

 S  tan 1

クトの中心磁束密度で示す．CS1-3 コイル対および CS2-4コイル対の形成する磁界の方向は，図 4 に示す向きを正とBC6BS13・・・ (1)した．プラズマビームは紙面から手前に進行する場合であ

このことから，プラズマビームの偏向角は垂直方向の磁束る．C6 コイルの形成する磁界の方向は，プラズマビーム密度の大きさで制御でき，基材に合わせて磁束密度を制御の向きと同じ向きを正としている．

すればよいことがわかる．

表 2 に，CS1-3 コイル対および CS2-4 コイル対で回転回転磁界を印加したプラズマビームで Si 基板に成膜し磁界および偏向磁界を印加した場合のプラズマビームのた DLC 膜の表面の SEM 写真を図 6 に示す．写真中，白様相を示す．図中の点線は，特に発光している領域をプラい点がドロップレットである．ビーム偏向なしの場合，同ズマビームの輪郭として示したものである． (a)は回転磁図(a)に示すように，基板表面に少量のドロップレットが- 96 -2016 VOL.26

図 7 半球面を模擬したテストサンプル写真

Scanner coil
T-FAD module

βup
βdown

Rotation frot

Upper

β αSwingLower

Deflecting beamfswg

図 9 様々な振子運動パターンにおける膜厚分布(○:振子Scanning beam

θdefθswp, fswp

運動なし, 基板角度=40°；△: 振子運動なし, 振子角度=0°；□: 振子運動あり, 振子角度=0°～40°)(Side-view)

9-13)

図 8 T-FAD 装置と基材振子回転運動めに回転掃引させた．成膜範囲と基材角度との関係は次の
表 3 ビームと基材との関係を示すパラメータ 9)

とおりとした．基材中心部を成膜する場合は，基材を下側に向けた．基材外周部を成膜する場合は，基材を上側に向けた．ビームと基材との関係を示すパラメータを表 3 にまとめた．この可変範囲の中で，def，swp，fswp，（up，down）は一定条件とした．
基材を上向きおよび下向きで回転させ成膜した場合の成膜速度分布を図 9 に示す．基材上向きの場合は，基材中心部の成膜速度が高く，基材下向きの場合は，基材外周部の成膜速度が高かった．曲率に合わせて，選択的に成膜速度を変えるべく，各基板位置における成膜速度が同じとなるように Dswg を計算したところ，80%であった．Dswg は，観察された．偏向ありの場合，同図(b)に示すように，ドロップレットはほとんど観察されず，ビーム偏向成膜の有用性が確認できた．これは，ダクトの直視方向で成膜すると，ダクト壁で炸裂したドロップレットなどがダクトを通過して付着するためであり，ダクトの直視方向から外れた位置で成膜を行えばよいことを意味している．

である．この条件で成膜したところ，ほぼ均一な成膜速度が得られた．以上から，半球面形状を模擬した基材へ DLC膜の均一成膜が実現できた．
また，膜の厚さの制御に関しては，装置から取り出さずに膜厚を計測するシステムを開発している 14)．DLC 膜は光学特性を有するため，これを利用したものである．つまり，成膜チャンバ内にある膜の反射率を，図 10 のように

３．DLC 膜均一成膜と耐熱評価
3.1

成膜時間に対して基材が上向きになっている時間の割合計測し，その干渉パターンから膜厚を求めるというもので半球面基材への DLC 膜の均一成膜

テスト基板には，超硬基板（20mm×20mm，2mm 厚）を用いた．それを，半球面を模擬した治具（φ90）に複数個取付けた．その様子を図 7 に示す．
成膜時における T-FAD のプラズマビーム運動と基材振子回転運動との関係を図 8 に示す．ビームは，基材中心に合わせて偏向させた．また，必要な成膜範囲を確保するたある．真空アーク蒸着において，陰極点が自己消弧したり，陰極材料が方減りしたりするなどが原因で，他の条件が同じでも成膜速度が一定にならない．そこで，追込み成膜で所望の膜厚を得ることにした．追込み成膜とは次のようなものである．初回成膜は最大成膜速度を仮定した成膜時間を設定し，膜厚 90%を目標として成膜する．その後，膜厚を計測して，その時の成膜速度を算出する．2 回目はそ- 97 -2016 VOL.26)
a-C:H(A Desorption gas spectratnta-C:Herructa-C:H
na-C:HoI

2.0

Raman spectroscopyID/IG

1.5
1.0

ta-C:Ha-C:HAs-deposition

ta-C

0.0

Refractiveindex, n

2.5
2.0

Sheet resistance (/sq.)

図 10 膜厚計測システム
Graphite a-C

ta-C
Diamondta-C:H

Hydrogen-free DLC
Hydrogenated DLC

a-C:H

1.5

Extinction
coefficient, k

10M
1M
100k
10k
1k
100
10
110m
1m

ta-C:H
As-deposition

ta-C

a-C

a-C:H

p-Si(100)Graphite
0100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Temperature reached (C)

2.0

図 13

Graphite

1.5

3.2

a-C

0.5

a-C:H
2.0

2.5

3.0

3

Film density (g/cm )3.5

離質量（TDS）分析を行った．TDS は自作のもので，集4.0

光照射式赤外真空炉（サーモ理工，IVF298W）とマスフ
ィルタ型ガス分析計（ULVAC，REGA-101）とを組み合

図 11 各種 DLC の光学特性
1101009080706050403020
1000.0

種々の DLC 膜の耐熱性

種々の DLC 膜に関し，耐熱性を把握するため，昇温脱ta-C Diamond

1.5

シート抵抗および脱ガススペクトルの加熱到
達温度依存性 14, 15)

1.00.0
1.0

Nanoindentation hardness (GPa)CH3a-C

0.5

3.0

H2わせたものである．昇温速度は 5℃/min 一定とし，到達温度を 200～1000℃ の範囲で変化させた．圧力は 2.0×

Hydrogen-free DLC
Hydrogenated DLC

10-4 Pa 以下とした．試料として，n 型 Si（100）基板（10Diamondmm×10 mm，厚さ 525±25 µm，抵抗率 2~10 Ω･cm）
上に T-FAD 装置で作製した 4 種類の DLC（a-C:H，ta-C:H，ta-C

ta-C:Ha-C および ta-C）膜を用いた．加熱前後の膜に関し，シート抵抗測定器（NPS，Σ-5）およびレーザ顕微ラマン分光光度計（JASCO，NRS-1000；レーザ波長 532 nm）をa-C

a-C:H
0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

33.0

Film density (g/cm )用いて分析した．
3.5

図 13 に，水素を含む DLC 膜から放出される H2 および4.0

CH3 の脱ガススペクトル，ラマン分光分析，およびシート抵抗の加熱到達温度依存性を示す．脱ガススペクトルの図 12 各種 DLC の密度と硬さの関係結果から，加熱するにつれて膜から水素と炭化水素が放出の成膜速度をもとに，残りの膜厚の 90%を目指して成膜する．このようにすると大凡 2 回の成膜で概ね所望膜厚の誤差-5%以内を実現できる．3 回目を行えば-1%以内も可能である．
参考として，種々の DLC の光学特性（e 線；λ=546 nm）におけると膜密度，硬さの関係を図 11 および図 12 に示す．H フリーDLC（ta-C，a-C）の場合，密度の減少とともに，屈折率および消衰係数は増加し，硬さは減少する。

されていることがわかった．ラマンスペクトルの ID/IG 比に着目してみると，全ての DLC 膜において，加熱到達温度が上がるにつれ，増加していく傾向であった．ID/IG 比の増加は，膜がグラファイト化していくことを示唆している 1)．a-C:H，ta-C:H および ta-C についてシート抵抗を計測したところ，加熱前は絶縁性または高抵抗性であったがそれぞれ加熱到達温度 600℃，700℃および 800℃で低抵抗へと変化した．一方，a-C 膜のシート抵抗は，加熱前後において基板の抵抗と同じであり，加熱の有無によら- 98 -

2016 VOL.26

化学工業，63，34-40（2012）

ず導電性であった．以上のことから，DLC 膜は高温においてグラファイト化が進み，水素含有 DLC 膜については

7)

滝川浩史：「フィルタードアーク蒸着で形成したDLC 膜の概要と応用」，月刊トライボロジー，305，水素脱離が生じることがわかった．

38-40（2012）
8)

４．まとめ

M. Kamiya, H. Tanoue, H. Takikawa, M. Taki, Y.

本研究で得られた結果を以下にまとめる．

Hasegawa, M. Kumagai: “Preparation of various(1) 半球面状基材に対して均一膜厚の DLC 膜を得るた

DLC films by T-shaped filtered arc deposition andめに，3 軸 4 運動のワークテーブルを開発し，ほぼ均一な

the effect of heat treatment on film properties”,膜厚を得ることができた．

Vacuum, 83, 510-514 (2009)(2) スキャナ部で偏向磁界を印加するとプラズマビー

9)

奥田浩史, 神谷雅男, 田上英人, 須田善行, 滝川浩

ムを偏向できる．偏向角は磁束密度の大きさに比例する．

史：「フィルタードアークプラズマビームの磁界制御回転磁界を印加した状態でも偏向できる．

によるドロップレットフリーDLC 膜の形成」，プラ(4) 偏向磁界を印加し，ダクト中心軸よりも上方で成膜
すると，基板に付着するドロップレット数を減少でき，ほズマ応用科学，18，2，159-164（2010）10) 奥田浩史，柏木大幸，田上英人，神谷雅男，柳田太

ぼドロップレットフリーの DLC 膜が得られる．

一郎，須田善行，滝川浩史，長谷川祐史，瀧真，辻(5) 水素フリーDLC 膜は加熱に伴ってグラファイト化

信広，石川剛史，安井治之：「フィルタードアークプが進み，水素含有 DLC 膜は加熱に伴って水素の脱離ととラズマビームの回転スキャンおよび偏向制御」，平成22 年度電気関係学会東海支部連合大会，I5-2 (2010)

もにグラファイト化する．

11) H. Okuda, T. Kashiwagi, H. Tanoue, Y. Suda, H.

謝Takikawa, M. Kamiya, Y. Hasegawa, M. Taki, N.

辞Tsuji,

本研究は，公益財団法人天田財団からの一般研究助成にT.

Ishikawa:“Uniformcoatingofより実施した研究に基づいていることを付記するととも

high-quality tetrahedral amorphous carbon (ta-C)に，同財団に感謝いたします．また，研究の遂行にあたりfilm on Si wafer by carbon plasma beam”, The

多大な協力を頂いた研究室スタッフおよび学生諸子に感Asia-Pacific

謝致します．特に，本論文の執筆にあたり，データおよびConference 2011, 18PP-72 (2011)

図面の一部更新に協力いただいた今井貴大君に深謝いたInterdisciplinaryResearch12) 奥田浩史，柏木大幸，田上英人，神谷雅男，柳田太一郎，須田善行，滝川浩史，長谷川裕史，瀧真，辻します．

信広，石川剛史，安井治之：「フィルタードアークによる半球面均一 DLC 成膜に向けた基板回転機構の参考文献
1)
2)

3)

4)

5)

6)

J. Robertson: “Diamond-like amorphous carbon,”開発」，2011 年第 123 回表面技術協会講演大会，

Mater. Sci. Eng. R, 37, 129-281 (2002)

17D-29 (2011)

H. Takikawa and H. Tanoue: “Review of cathodic13) 奥田浩史，柏木大幸，田上英人，須田善行，滝川浩

arc deposition for preparing droplet-free thin史，神谷雅男，瀧真，長谷川裕史，辻信広，石川剛films”, IEEE Trans. Plasma Sci., 35, 4, 992-999

史：「フィルタードアークプラズマビームを用いた半(2007)

球面状金型への ta-C 均一成膜」，平成 23 年度電気関I. I. Aksenov, V. E. Strel’nitskij, V. V. Vasilyev, D.

係学会東海支部連合大会，N4-4 (2011)

Yu. Zaleskij: “Efficiency of magnetic plasma14) 滝川浩史：光学薄膜の最適設計・成膜技術と膜厚・filters”, Surf. Coat. Technol., 163-165, 118-127

膜質・光学特性の制御，技術情報協会，299-305(2003)(2013)

H. Takikawa, K. Izumi, R. Miyano, T. Sakakibara:

15) 角口公章，奥田浩史，柏木大幸，田上英人，須田善“DLC thin film preparation by cathodic arc

行，滝川浩史，神谷雅男，瀧真，長谷川祐史，石川deposition with a super droplet-free system”, Surf.

剛史，辻信広：「水素含有および水素フリーDLC 膜

Coat. Technol., 163-164, 368-373 (2003)の加熱に伴う構造変化」，第 59 回応用物理学関係連合講演会，17p-F3-11（2012）

滝川浩史，：「光学薄膜の最適設計・成膜技術と膜厚・膜質・光学特性の制御

第４章光学薄膜の成膜技術

16) T. Kadoguchi, H. Tanoue, Y. Suda, H. Takikawa,と膜厚・膜質の制御

第１５節真空アーク蒸着法に

M. Kamiya, M. Taki, Y. Hasegawa, N. Tsuji, T.

よる光学薄膜の成膜技術と膜質・膜厚の制御」，技術

Ishikawa: “Thermal stability of hydrogenated and情報協会，299-305（2013）hydrogen free DLC films by elevated heating”,

田上英人，滝川浩史，須田善行：「ピュアカーボンプ

The 34th International Symposium on Dry

ラズマビームを用いた超硬質 DLC 膜の合成と応用」

Process, P-47 (2012)- 99 -